植物代谢组学——方法与应用（第二版）

1.是国家十一五重点图书《植物代谢组学》（一版）的修订再版，原版图书版权输出至Springer，并作为该公司亚太区重点图书获得高度评价。 2.本书每章作者都是本领域国内领衔代表专家，著述认真负责，科学可靠，本书是相关代谢组学研究领域的经典参考图书，受到业内广泛认可。 3.本书二版在原版基础上对代谢组学新技术、新方法、新成果、新趋势做了详细介绍，新增加了“脂质代谢组学”一章，增加了高端分析仪器应用介绍比如离子淌度质谱、成像质谱、全二维色谱、多平台组学技术、多组学技术的开发应用，精准代谢组学研究比如靶向代谢组学、广泛靶向代谢组学技术分析策略，相关分析软件和算法的智能化分析，将组学研究报告进行标准化，并提供了附录《基于质谱的代谢组学：注释、定量和*佳报告实践指南》资料翔实，科研案例丰富，步骤讲解细致，参考性强。

前言
2011 年，由国内一线从事植物代谢研究的科研人员编著的《植物代谢组学——方法与应用》首次出版，反映了我国植物代谢组学研究的萌发和快速发展，该书分为代谢组学分析技术的基本原理、方法及进展，代谢组学数据处理、代谢物定性、数据库和代谢网络，代谢组学应用实例三个部分，建立了植物代谢组学的基本知识框架，体现了当时国内植物代谢组学的研究水平。该书出版后，得到了读者较好的反馈，成为众多科研人员手头的参考用书，特别在植物学和中药学等学科领域广为传播，该书也作为部分学校本科生和研究生的教材使用。首版后的十二年以来，植物代谢组学研究得到了全方位的发展，在一些关键的领域也取得了较好的成果。应广大读者需求，特别是部分院校开展代谢生物学和代谢组学的课程教学，迫切需要教材，我们对本书进行了修订，《植物代谢组学——方法与应用》第二版充分吸收了近十年植物代谢组学取得的新进展，为读者提供与时俱进的实操内容。
小分子代谢产物作为植物自身的组成成分，一方面，它们重要的生物学功能逐渐得以解析，如葫芦科葫芦素三萜参与抗虫和人工驯化，水稻花粉壁间隙三萜对水稻花粉的萌发和育性有重要的作用等；另一方面，为了充分利用药用植物中的功效成分，天然产物生物合成途径得到广泛的解析。特别是合成生物学的兴起，利用代谢工程技术对青蒿素、人参皂苷、丹参酮、檀香醇等高价值天然产物进行了微生物制造，实现“不种而获”的目的，减轻对药用植物资源的依赖；得益于基因组测序成本的降低，更多植物基因组信息被公布，通过生物信息学手段挖掘更多的代谢基因簇，分析不同物种代谢途径基因的进化关系；借助酶晶体结构（酶三维结构预测）、量子计算、理论化学和酶工程（活性口袋工程）技术对酶催化机制的解析，加深了自然界次生代谢产物结构多样性和科属分布特异性的认识。植物代谢组学已经广泛应用于上述多领域研究，展现出蓬勃的发展潜力，也展现出我国科学技术的进步以及我国学者对国际学术界的贡献。
植物代谢组学是生物学和化学的交叉融合，代谢组学分析技术近年来也取得了长足的进步。脂质是细胞中不可或缺的组成成分，在生物体各生命过程中发挥重要的作用。脂质代谢组学是植物代谢组学发展的又一个方向和类别，形成了自己独特的分析方法和定性方法，因此《植物代谢组学——方法与应用》第二版新增加了“脂质代谢组学”一章；组学分析技术一直在发展，高端分析仪器的推出，如离子淌度质谱、成像质谱、全二维色谱等，多平台组学技术、多组学技术的开发，进一步拓展了代谢组学检测能力；另外，代谢组学分析技术朝着更精准的方向发展，如拟靶向代谢组学技术、广泛靶向代谢组学技术等分析策略的运用，在原有仪器精度条件下，极大提高了代谢组学测量的准确度，降低了代谢组学假阳性率；代谢物定性分析是将化学信号转变为生物学信息的“卡脖子”技术。要从微量分析样本中，高通量地推断未知化合物的结构，无论是过去还是将来一段时间内，都是化学家和生物学家面临的巨大挑战。从同位素标记技术、更加全面的标准物质质谱数据库、综合性数据库等方面入手，有助于提高未知代谢物结构注释的能力。此外，基于代谢反应网络和二级质谱信息，通过自动化的递归运算，开发了大规模的代谢物结构鉴定算法，如MetDNA，极大提高了对未知代谢物的定性分析；代谢组学海量原始数据的分析和处理，严重依赖化学计量学和计算机科学的介入，针对复杂的GC-MS 代谢组学数据，也开发了相应分析软件和算法；代谢组学结合其他组学，如全基因组遗传多态性，以代谢物作为表型，进行全基因组关联分析mGWAS，为快速定位代谢物生物合成与调控直接相关的基因提供了帮助。总体来讲，经过十多年的发展，代谢组学分析技术在各个层面得以深入发展，从简单的化学分析步入更加全面、精准和智能化的分析时代。
结合上述发展和实践教学过程中的经验，本书第二版仍然保持了第一版的总体框架，并对部分章节进行了调整。新增加了植物脂质组、代谢组数据的深度挖掘及应用以及代谢组学方法在中药研究中的应用章节；同时，增加了附录“基于质谱的代谢组学：注释、定量和最佳报告实践指南”，提倡代谢组学研究报告的标准化；第二版对第一版有关数据分析的两个章节进行了合并处理，对其他章节中所涉及的新技术和新进展进行了更新。
本书第二版编写人员新增加了中山大学、中国科学院分子植物科学卓越创新中心、中国科学院植物研究所、中国中医科学院中药资源中心的多位科研人员。感谢所有编者在百忙时间中辛勤的编写。希望第二版能一如既往带给读者新的收获和有益的帮助，助推我国植物代谢组学迈向更高质量的发展。由于时间和知识局限，本书难免有错误与不足，欢迎读者批评指正。

漆小泉　王玉兰　陈晓亚
2022 年8 月18 日




第一版前言
生命科学研究日新月异，基因组学及相关分析技术的提高极大地推动了转录组学、蛋白组学、代谢组学、表型组学等的快速发展，人们可以采用系统集成的手段，多层次揭示生命现象。这种研究思路和方法催生了系统生物学。代谢组学是系统生物学的重要组成部分，代谢物与表型最为接近，代谢物的变化能够更直接地揭示基因的功能，代谢标识物的发现在疾病早期诊断等方面有着重要的应用价值。
自然界的植物种类繁多，不同的类群往往合成一些特殊化合物。据估计，植物产生的代谢物数量有20 万～ 100 万种之多，且结构与理化性质差异很大，从而使植物代谢组学研究更具挑战性。自2002 年第一届国际植物代谢组学大会在荷兰瓦赫宁根召开以来，植物代谢组学的分析技术和方法发展迅速，并已开始应用于植物科学研究、生物技术安全评价、作物育种等多个领域，在基因功能研究、代谢途径及代谢网络调控机理的解析等方面发挥着重要的作用。我国植物代谢组学研究于2005 年前后开始起步，目前已形成较好的发展趋势。本书由国内活跃在植物代谢研究一线的科研人员共同编著而成，既介绍植物代谢组学研究的最新进展、分析未来数年的发展趋势，也展示作者们各自科研项目的新研究，较好地反映出国内当前的研究水平。
本书从三个部分介绍和展示植物代谢组学。第一部分包括植物代谢组学概述及代谢物分析技术的原理、方法、存在的问题和注意事项及进展等，主要包括质谱和核磁共振分析技术；第二部分包括代谢组学数据分析、代谢物定性、代谢组学数据库和代谢网络研究；第三部分是植物代谢组学详细的应用实例，大多是近年来的研究成果。编写时力求做到符合实际和实用，期望本书能推动植物代谢组学在我国的迅速发展。
感谢各章编委在繁忙的科研和教学任务中抽出时间撰写稿件。本书的多位编写人员获得科技部“973”计划“作物特殊营养成分的代谢及其调控研究(2007CB108800)” 及“ 畜禽产品中有害物质形成原理与控制途径研究(2009CB118800)”的资助。本书的编写也得到了“作物特殊营养成分的代谢及其调控研究”项目办公室的资助。非常感谢中国科学院植物研究所刘春明研究员为本书的出版给予的关心和帮助。对于本书中的错误与不足，欢迎读者批评指正。

漆小泉　王玉兰　陈晓亚
2010 年11 月21 日

漆小泉，中科院植物研究所，博导、研究员，现任中国科学院植物研究所植物次生代谢及抗病信号转导创新研究组组长。迄今出版论著1部，发表SCI收录刊物论文30余篇。
陈晓亚，植物生理学家，中国科学院院士、发展中国家科学院院士 ，中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究员、博士生导师，中国科学院上海辰山植物科学研究中心主任，兼任上海辰山植物园园长。主要从事植物次生代谢调控及表皮细胞发育，早期曾从事植物分类学研究。
王玉兰，现任南洋理工大学教授，曾任中国科学院武汉物理与数学研究所研究员、博士生导师，磁共振与原子与分子物理国家重点实验室主任，生物光谱和代谢学学科带头人。

本书介绍了代谢组学的技术及应用概况、代谢组学的气相色谱- 质谱联用技术、液相色谱- 质谱联用技术、核磁共振技术、代谢组学数据预处理方法、基于代谢组学数据的多变量分析、基于色谱- 质谱联用技术的代谢物定性，并介绍了植物脂质组、植物代谢网络分析，还讲解了这些技术的具体应用案例，比如 LC-MS 在植物代谢组学中的应用、NMR 在植物发育和其应答生物/ 非生物胁迫中的应用、代谢组学方法在中药研究中的应用。本书最后介绍了代谢组学领域最新的研究趋势，比如代谢组数据的深度挖掘及应用，并将“基于质谱的代谢组学：注释、定量和最佳报告实践指南”作为附录介绍给大家，参考性非常强。
本书适合高等院校、研究院所生物、化学、医药、农业相关专业的本科生、研究生、科研工作者及专业技术人员参考学习。

第1章　概述 001
1.1　代谢物分析技术的发展趋势 003
1.2　代谢组学数据分析现状及其面临的挑战 008
1.3　植物代谢组学的应用 013
参考文献 019

第2章　代谢组学分析技术：气相色谱-质谱联用技术 026
2.1　GC-MS联用的原理和关键技术 027
2.2　样品制备和分析技术 035
2.3　新技术、发展趋势 039
2.4　常见问题，注意事项 041
2.5　展望 044
参考文献 045

第3章　代谢组学分析技术：液相色谱-质谱联用技术 047
3.1　LC-MS基本原理 048
3.2　数据解读 052
3.3　新技术与发展趋势 053
3.4　常见问题和注意事项 057
3.5　展望 061
参考文献 061

第4章　代谢组学分析技术：核磁共振技术 064
4.1　核磁共振发展概况 065
4.2　核磁共振基本原理 065
4.3　核磁共振波谱仪 067
4.4　化学位移 068
4.5　自旋耦合 075
4.6　常见基团的化学位移范围 076
4.7　代谢组学研究中常用的二维谱 082
4.8　核磁共振谱图解析 084
4.9　常见问题及解决方案 095
4.10　植物代谢组学研究中样品的提取方法 097
4.11　新技术及发展趋势 098
参考文献 100

第5章　代谢组学数据预处理分析方法 102
5.1　NMR数据集的预处理 103
5.2　MS数据预处理 106
参考文献 113

第6章　基于代谢组学数据的多变量分析 115
6.1　引言 116
6.2　基于单维统计模式识别 116
6.3　多维统计模式识别 118
6.4　数据模型的识别和验证 129
6.5　模式识别的软件工具 130
6.6　代谢组和其他组学数据的联合分析 132
6.7　小结 140
参考文献 140

第7章　基于色谱/质谱联用技术的代谢物定性 144
7.1　引言 145
7.2　常见有机物质谱裂解规律 148
7.3　GC-MS代谢产物定性方法 150
7.4　LC-MS代谢产物定性方法 157
参考文献 164

第8章　植物脂质组 167
8.1 植物脂质简介 168
8.2 植物脂质的功能 176
8.3 植物脂质碎裂规律 179
8.4 植物脂质组样品制备 181
8.5 脂质组学分析工具 183
8.6 多组学联合分析 189
8.7 展望 190
参考文献 192

第9章　植物代谢网络 197
9.1 引言 198
9.2 植物代谢网络的特征 199
9.3 植物代谢网络的分子生物学研究 206
9.4 存在问题与展望 212
参考文献 213

第10章　LC-MS 在植物代谢组学中的应用 220
10.1 分析样品制备 222
10.2 LC-MS在基因功能研究中的应用 223
10.3 代谢组与基因组重测序数据关联确定候选基因 228
10.4 应用于转基因植物“实质等同性”检测 229
参考文献 233

第11章　NMR 在植物发育和其应答生物/非生物胁迫中的应用 235
11.1 引言 236
11.2 NMR在绿豆种子发育中的应用 236
11.3 NMR在水稻抗虫中的应用 243
11.4　NMR在烟草应答盐胁迫中的应用 251
11.5 机遇与挑战 258
参考文献 258

第12章　代谢组学方法在中药研究中的应用 261
12.1 引言 262
12.2 黄芪药材的多基源鉴别 262
12.3 丹参酮类化合物生物合成途径解析 274
12.4 天麻硫熏综合评估分析 282
参考文献 289

第13章　代谢组数据的深度挖掘及应用 292
13.1 植物代谢组学检测平台 293
13.2 植物代谢组学数据分析方法 298
13.3 植物代谢物注释 306
13.4 植物代谢组学的应用 308
13.5 展望 310
参考文献 311

附录　320
附录1　基于质谱的代谢组学： 注释、定量和最佳报告实践指南 321
附录2　中英文缩略语表 334